延川南煤层气田煤体结构模式及改造效果分析

肖 翠，陈贞龙，金晓波

(中国石油化工股份有限公司 华东油气分公司勘探开发研究院，江苏 南京 210011)

0 引 言

延川南煤层气田主力煤层山西组2号煤平均埋深1 280 m，属于深部煤层气藏，煤储层具有三低一强的特征，即特低孔、特低渗、低压、非均质性强，采出条件较差，煤层气井生产必须经过压裂改造才能获得较高产能。煤体结构是影响煤层气井压裂改造效果的关键因素。受地质作用的影响，不同煤体结构的形态特征、破碎程度及力学性质差异较大[1]，因此压裂改造时不同煤体结构的裂缝扩展也会产生较大的差异。前人对煤体结构的识别与划分[2-4]等研究较多，而关于煤体结构对压裂的影响研究相对笼统，通常认为是原生结构煤、碎裂煤等煤体结构破碎程度小，结构保存完整，强度高,煤层可改造性好；碎粒煤、糜棱煤等煤体结构疏松，强度低，可改造性差[5]，但煤层在纵向上通常呈现不同的煤体结构组合模式，并非单一类型，因此针对煤体结构的精细研究对于提高压裂工艺适应性至关重要。

因此基于延川南煤层气田岩心和测井曲线建立不同煤体结构的测井识别模板，以此对气田870余口煤层气井开展煤体结构识别和划分，明确气田煤体结构组合模式，并确定不同煤体结构组合模式的平面、纵向分布规律以及主控因素。基于不同煤体结构组合模式的压裂施工曲线响应特征，分析了不同煤体结构组合模式的压裂改造效果，对于提高压裂工艺的适应性具有积极的意义。

1 研究区概况

延川南煤层气田构造上位于鄂尔多斯盆地东南缘[6-7]，整体构造较为简单，为一西倾的单斜，地层平缓，平均地层倾角3°，中部西掌断裂带将气田一分为二，东部为谭坪构造带，西部为万宝山构造带[8](图1)。主力生产煤层为山西组2号煤，具有“三高、三稳、三低”的地质特征[9-10]，高生烃潜力，镜质组含量>75%；高演化程度，镜质体反射率平均2.46%，处于最佳吸附能力阶段，属于贫煤、无烟煤；高含气量，含气量一般>12 m3/t；具有稳定简单的构造，断层不发育；煤层厚度稳定，2.8～6.9 m，平均4.6 m；具有稳定的保存条件，顶底板厚度一般>3 m，为弱径流-滞留水动力条件。特低孔隙度，为3.0%～6.2%；特低渗透率，一般<10-9m2，分布范围为0.013×10-9～0.99×10-9m2；低压力系统，压力梯度为0.4～0.8×10-3MPa/m。

图1 延川南山西组2号煤层顶面构造Fig.1 Top structure of No.2 coal seam of Shanxi Formation in Yanchuannan

气田自2008年起经过“选区评价-单井勘探突破-小井组先导-大井组试验-整体开发”的流程[11]，于2015年全面完成了产能建设任务，建成了我国第一个商业规模化开发的深层煤层气田。开井905口，产气井794口，日产气106m3左右，平均单井日产1 200 m3左右，年产气3.5×108～3.8×108m3，它的建成对于深部煤层气开发具有示范和带动意义。

气田煤层气井压裂施工过程基本一致，施工参数基本相近，主要采用活性水压裂液，支撑剂采用石英砂，压裂施工排量7～8 m3/min，单井压裂液量主要分布在800～950 m3，平均880 m3，单井砂量主要分布在45～55 m3，平均50 m3，砂比8%～10%。

2 煤体结构模式及控制因素

2.1 煤体结构测井识别

煤体结构是指煤体中各组成部分的颗粒大小、形态特征和组分之间的赋存状态以及组合关系[12-13]，基于测井资料的煤体结构预测是目前判别煤体结构精度最高的方法[14]。采用气田42口取心井与测井曲线综合对比分析，反映出井径、补偿中子、声波时差对煤体结构响应明显，电阻率受黄铁矿的影响变化幅度大，自然电位、自然伽马以及密度等响应不明显，因此主要采用井径、补偿中子、声波时差对煤体结构开展定量分析。

由于原生结构煤与碎裂煤、碎粒煤与糜棱煤在测井响应上具有一定的相似性，因此本次研究对煤体结构的划分采用矿井上常用的硬煤、软煤二分法[15]，将煤体结构分为硬煤(原生结构煤、碎裂煤)以及软煤(碎粒煤、糜棱煤)。软煤由于受破坏程度大，煤体结构破碎，孔隙、裂隙更加发育，声波传播较慢，声波时差升高，同时煤层含水性变高，补偿中子相应增高，扩径现象更加明显，井径增大，表现出井径大、中子高、声波时差高的特征，一般井径>30 cm，声波时差>400 μs/m，补偿中子为55%～90%。硬煤煤体结构较为完整，井径、声波时差以及补偿中子均较软煤低，井径为22～30 cm，声波时差350～400 μs/m，补偿中子一般低于55%，见图2、表1，图2中虚线框为硬煤和软煤测井参数的界限。

图2 煤体结构结构测井响应图版Fig.2 Logging response chart of coal structure

表1 煤体结构测井响应统计Table 1 Logging response statistics of coal structure

2.2 模式建立及分布特征

依据煤体结构测井识别模板，对气田870口煤层气井进行2号煤层煤体结构的判识，结果显示2号煤煤体结构在垂向上非均质性强，主要分为“两类五型”(图3)：两类是指呈现单层、多层叠加型煤体结构，其中单层煤体结构为单层硬煤以及单层软煤两种类型，单层硬煤为整体发育硬煤(图3—5中X1井、Y3井、Y6井)，单层软煤为整体发育软煤(图3—图5中X4井、X5井、X7井、Y22井)。多层叠加型结构分为上部发育硬煤，下部发育软煤(图3—5中X6、Y21 井)；上部发育软煤，下部发育硬煤(图3—5中X2井、X8井)；上、下部发育软煤，中部发育硬煤(图3—5中X3井、Y17井)等三类，组合模式见表2。图4、5和表2中CAL为井径，cm；CN为补偿中子，%；AC为声波时差，μs/m。

图3 延川南2号煤层煤体结构分布Fig.3 Coal body structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan

表2 延川南2号煤层煤体结构模式Table 2 Vertical combination types of coal body structure of No.2 coal seam in Yanchuannan

图4 延川南2号煤层东西向煤体结构Fig.4 Coal structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan in east-west direction

图5 延川南2号煤层南北向煤体结构Fig.5 Coal structure distribution of No.2 Coal Seam in Yanchuannan in north-south direction

平面分布上以单层硬煤为主，单层软煤主要发育在气田东北部以及中部断裂带附近，其他类型在低序级断层附近局部发育。

2.3 控制因素

2.3.1 构造对煤体结构的影响

从5种模式的平面分布来看，煤体结构受构造控制明显，主干断层西掌断裂带附近以单层软煤为主，呈条带状展布(图3)；万宝山构造带东北部低序级断层发育区域易形成双层上下型结构，并且下部多发育软煤，研究分析认为：气田2号煤中部稳定发育1层泥岩夹矸(图4、图5)，一般厚度0.6～0.8 m(图6)，构造扰动时煤层相对夹矸层更易发生变形，煤层的局部滑动以夹矸层之下作为滑动面，夹矸层之上煤体因坚硬夹矸层的隔离，受到应力变形作用相对较弱而破坏程度较小，夹矸层之下煤体结构受到应力变形强度较大，破坏程度也较大[16-17]。

图6 延川南2号煤层夹矸厚度分布Fig.6 Distribution of gangue thickness in No.2 Coal Seam in Yanchuannan

2.3.2 沉积对煤体结构的影响

沉积环境影响了煤层及顶底板的岩性构成及特征，煤层与顶底板岩性力学性质的差异越大，煤层越容易遭受破坏[18]。气田东北部Y12井区煤层直接顶底板为分支河道相，发育粉砂岩、细砂岩等，与煤层力学性质差异大，单层软煤相对发育；其他区域顶底板多发育湖泊沼泽相，岩性以泥岩为主，煤层不易遭受破坏。

3 不同煤体结构模式的改造效果及分析

3.1 不同煤体结构模式的改造效果

由于硬煤、软煤的物理性质不同，不同煤体结构组合模式对压裂的影响也不相同。硬煤的硬度及强度相对较高，加入支撑剂后易形成长的高导流能力的有效裂缝，软煤破碎程度高，硬度相对较低，割理、裂隙较为发育但连通性差，压裂时易形成多个裂缝而难以形成主裂缝，支撑剂易嵌入且不能携带至远端，导致易砂堵且导流能力较快降低，难以形成有效裂缝[19-20]。压裂施工曲线可以直观的反映压裂裂缝扩展情况的差异[21]。一般情况下，上升型以及高压波动型通常反映了压裂时裂缝扩展受限，易发生砂堵现象，形成短而多的复杂裂缝，主缝较短，未实现有效降压，压裂改造效果相对较差。平稳型及下降型通常反映裂缝扩展较好，形成的主缝较长，实现了储层有效降压，压裂改造效果较好。断层附近的压裂施工曲线形态一般以高压波动型和低压下降型为主，受断层沟通影响的压裂施工曲线一般为低压下降型，未受断层沟通影响的井通常由于煤体结构较为破碎以及周围裂隙发育的影响，支撑剂易嵌入发生砂堵现象，易形成高压波动型压裂施工曲线。

为充分考虑压裂工程中地质因素以及工程因素对压裂曲线形态的影响，统一建立划分压裂曲线类型的参考标准：①压裂曲线形态主要参考正常加砂阶段时油压线形态，舍弃由于地层条件或者施工原因引起停泵导致的油压回落曲线阶段；②将正常加砂阶段时油压波动≤4 MPa的曲线作为平稳型曲线[22]；③施工压力选取正常加砂阶段下排量基本相同时(一般选取排量稳定在7～8 m3/min时)的施工压力开展对比研究，此种情况下的施工压力一般能够反映在基本相同的施工条件下煤层压裂时的应力情况，可将其作为可压性对比分析的一个指标；④所选对比井位于地质条件相似的同一地质单元内。

根据以上标准，对万宝山构造带南部地质条件相似的同一地质单元Y3井区193口不同煤体结构组合模式的压裂施工曲线进行分析。结果表明压裂施工曲线主要有4种：高压波动型、低压下降型、平稳型、下降型，可改造性以及开发效果差异较大(表3、图7)。

图7 延川南2号煤层典型压裂施工曲线Fig.7 Typical fracturing curve of No.2 Coal Seam in Yanchuannan

表3 延川南2号煤层压裂施工曲线-煤体结构模式关系Table 3 Relationship between fracturing construction curve and coal structure mode of No.2 coal seam in Yanchuannan

1)单层软煤，煤体结构整体为软煤，强度低，渗透性差，压裂施工曲线受所处构造位置的差异呈现以高压波动型为主，低压下降型为辅的2种类型。距离断层200 m以上的气井一般为高压波动型，受多期构造运动变形影响严重，塑性大，裂缝在煤层中难以扩展，施工压力高(40 MPa左右)，易发生砂堵现象，产气效果差，日产气量0～510 m3，平均270 m3，累产气量6×104～97×104m3，平均50×104m3；低压下降型靠近断层，与断层距离<200 m，受到压裂沟通断层影响，破压后施工压力大幅下降至20 MPa左右，产气量低或者不产气，日产气量为0～300 m3，平均150 m3/d，累产气量3×104～67×104m3，平均30×104m3，总体上单层软煤可改造性差低产气，不利于煤层气开采。

2)单层硬煤，煤体结构整体为硬煤，受到构造运动影响较小，煤层强度高，压裂施工过程中破裂压力明显，煤层破裂后稳定排量下的施工压力平稳，一般介于20～40 MPa，平均28 MPa，压裂施工曲线以平稳型和下降型为主，反映裂缝在煤层中沟通及延展较好，有利于泄压产气，平均产气量1 350 m3，累产气量195×104m3，整体上可改造性好，高产气、低产液，开发效果好。

3)多层软硬煤叠加结构，煤体结构为软煤与硬煤的组合形式，气田主要发育3种组合形式，上部为硬煤、下部为软煤以及上部为软煤、下部为硬煤的双层上下型煤体结构，上、下部发育硬煤，中部发育软煤的3层煤体结构。分析硬煤厚度占比与累产气量的关系，证实硬煤厚度占比越大，累产气量越高，当硬煤厚度占比60%以上，累产气量一般能达到106m3以上(图8)，在压裂施工过程中，硬煤厚度占比≥60%的气井一般破裂压力不明显，压裂施工曲线以

图8 延川南2号煤硬煤厚度占比-累产气量关系Fig.8 Relationship between proportion of hard coal thickness and cumulative gas production of No.2 Coal in Yanchuannan

平稳型为主，开发效果较好，平均日产气量1 150 m3，累产气量134×104m3，而<60%的气井压裂施工与单层软煤类似，对砂比较为敏感，有砂堵现象，压裂施工曲线呈高压波动型，平均日产气量510 m3，累产气量75×104m3。

根据上述不同煤体结构组合模式的压裂施工分析，可改造性：单层硬煤>多层软硬煤叠加结构煤>单层软煤，相应的开发效果规律具有一致性。对比压裂施工曲线类型与不同煤体结构组合模式分析，单层软煤由于煤体结构破碎，压裂施工裂缝难以延展，施工压力普遍较高(>40 MPa)，压裂曲线以高压波动型为主。当煤层中硬煤厚度占比增加时，压裂改造效果逐步变好，硬煤厚度占比≥60%时，压裂施工曲线类型以平稳型和下降型为主，反映压裂改造裂缝扩展较好，地层压力得到了有效传递和释放，开发效果相应变好。

3.2 压裂优化建议

多层软硬煤组合气井根据可压性分析，明确硬煤厚度占比≥60%可以取得较好的产气效果，重复压裂改造时为提高多层煤体结构组合模式的压裂效果，可根据硬煤厚度占比图(图9)作为制定压裂措施的参考依据，优选硬煤厚度占比大于60%的煤层气井提高压裂成功率，同时射孔时避开软煤，只针对硬煤层射孔压裂改造，避免支撑剂大量嵌入软煤导致硬煤未得到充分改造。

图9 延川南2号煤层硬煤厚度占比分布Fig.9 Distribution of hard coal thickness for No.2 Coal Seam in Yanchuannan

单层软煤脆性小，裂隙系统遭到破坏，压裂时压力传递分散，常无法形成主裂缝且裂缝难以延展，泄压范围小，导致煤层气井单井产气量低、衰减快，针对此类煤层可采用间接改造，在相对脆性的煤层顶底板以及夹矸层进行压裂，压裂缝在顶底板以及夹矸层中延伸更好并扩展到软煤层中实现有效改造。

4 结 论

1)基于煤芯及测井曲线建立了煤体结构识别模板，硬煤井径为22～30 cm，声波时差350～400 μs/m，补偿中子低于55%，软煤一般井径>30 cm，声波时差>400 μs/m，补偿中子为55%～90%，将煤体结构划分为“两类五型”，受构造以及沉积共同控制。

2)分析不同模式的煤体结构的开发效果，认为改造效果由好到差的顺序依次为：单层硬煤>多层软硬煤叠加结构煤>单层软煤。其中单层硬煤以及硬煤厚度占比60%以上的多层模式可改造性较好，累产气较高。

3)后期压裂施工改造尽量优选硬煤厚度占比超过60%的煤层，而对于单层软煤采用顶底板及夹矸层的间接改造模式，提高单井开发效果。